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PhosWaM

Foto: Bernd Sadkowiak, Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde

Kritische Phosphormengen in Gewässern reduzieren

Phosphor (P) ist neben Stickstoff eines der wichtigsten Elemente für das Wachstum von aquatischen und terrestrischen Pflanzen. Während in vielen aquatischen Ökosystemen Phosphor (hier und im Folgenden ist damit Gesamtphosphor gemeint) im Überschuss vorhanden ist und zu Eutrophierung führt, liegt in landwirtschaftlich genutzten Flächen durch den Entzug von Biomasse oft

ein Mangel des Nährstoffs vor. Landwirte bringen deshalb Phosphat als Dünger auf ihren Flächen aus, um das Pflanzenwachstum zu unterstützen. Neben der Landwirtschaft gelangen durch Industrie und Kläranlagen Phosphorverbindungen in die Umwelt. Ein Großteil davon erreicht auf unterschiedlichen Pfaden über Seen, Flüsse und Ästuare die Meere. Große Mengen Phosphor stellen ein erhebliches Problem für Gewässerökosysteme dar. Ein Zuviel der Pflanzennährstoffe führt in Gewässern zu einem übermäßigen Wachstum von Phytoplankton und anderen Wasserpflanzen. Die Folgen sind trübes Wasser, giftige Algenblüten, Sauerstoffmangel und ein Verlust der Artenvielfalt. Ziel der Wissenschaftler und Praxispartner im Verbundprojekt PhosWaM ist, Methoden zur Identifizierung von Emissionsquellen bei der Gewässerüberwachung und effektive Maßnahmen zur Reduzierung der P-Mengen in Gewässern zu entwickeln.

Ziele

Übergeordnetes Ziel des Projektes ist, durch Prozess- und Modellstudien die Wissensgrundlage zu den Quellen, Transportwegen und Umsatzprozessen von Phosphorverbindungen in Gewässern zu verbessern. Resultierend daraus und ergänzt durch Ergebnisse der Untersuchungen beispielhafter Maßnahmen, wie kontrollierter Dränung, Filtersysteme bei kleinen Kläranlagen und Öffnung verrohrter Fließgewässer, sollen Vorschläge zur Optimierung der Monitoringkonzepte und Maßnahmenprogramme im Sinne der EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) und der EG-Meeresstrategierahmenrichtlinie (MSRL) erarbeitet werden.

Probenahme in der Zarow, Warnoweinzugsgebiet, Analyse der Phosphorfraktionen. Foto: Monika Nausch, Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde

Modellregion

Die Untersuchungen sind auf das Einzugsgebiet der Warnow, die Unterwarnow und die direkt angrenzende Ostsee fokussiert. Warnow und Unterwarnow sind mit 3.324 km² das zweitgrößte deutsche Einzugsgebiet, das in die Ostsee entwässert. Die Region ist landwirtschaftlich geprägt undweist einen stark anthropogen veränderten Wasserhaushalt auf.

AUSBLICK

• PhosWaM untersuchte in komplexer Weise die P-transporte, -transformationen und –retentionen aller P-Fraktionen im gesamten Einzugsgebiet der Warnow von der Quelle bis in die Ostsee.
• Dabei wurden u.a. konkrete Vorschläge zur effizienten Düngung mittels P-Index, für P-Filter in Drainagen, zur Reduktion der P-Einträge aus kleinen kommunalen Kläranlagen oder zur Optimierung zukünftiger Fahrwasservertiefungen im Stadthafen Rostock erarbeitet, die in einem Maßnahmenkatalog zusammengefasst sind.
• Die Ergebnisse werden für die Implementierung von Maßnahmen zur Reduktion der Eutrophierung in Flüssen, Seen, Ästuaren und der Ostsee genutzt, wie sie durch die Wasserrahmenrichtlinie (WRRL), die Meeres-Strategie-Rahmen-Richtlinie und den Ostseeaktionsplan der HELCOM gefordert sind.
• Die Ergebnisse fließen ein in die Anpassung der künftigen Gewässerüberwachung und in die Aktualisierung des Bewirtschaftungsplans nach WRRL in den Jahren 2020/2021.

Weitere Informationen

• zur Homepage des Verbundprojekts
• Zwischenergebnisse aus der Abschlussbroschüre
• Erste Ergebnisse aus der zweiten Broschüre
• Kurzvorstellung / Projektblatt

Management von Niederschlagswasser in Städten und Kommunen

Der Abfluss des Niederschlags ist im Wasserhaushalts­modell von Städten und Gemeinden häufig eine große Unbekannte. Bisher ist oftmals noch unklar, wohin ge­nau Regenwasser nach einem Niederschlagsereignis abfließt, welcher Anteil ins Grundwasser gelangt oder verdunstet. Durch Flächenversiegelung und Ableitung der Niederschlagsabflüsse in die Kanalisation sind der Wasserhaushalt siedlungsgeprägter Gewässer, das hyd­rologische Regime und die hydrologische Dynamik häufig beeinträchtigt. Die Herausforderungen sind bekannt und haben zu einem Paradigmenwechsel in der Bewirtschaf­tung der Niederschlagsabflüsse in Siedlungen geführt: Lösungsansätze sind beispielsweise Versickerungsanla­gen, durchlässige Flächenbeläge und Gründächer. Diese Maßnahmen führen jedoch nicht zwangsläufig dazu, dass siedlungsgeprägte Gewässer einen naturnahen Wasser­haushalt zurück erhalten.

Für Kommunen ist es daher wichtig im Vorfeld zu wissen, welcher Planungsaufwand und welche Kosten mit be­stimmten baulichen und planerischen Maßnahmen ver­bunden sind. Ziel der Verbundprojektpartner von WaSiG ist es daher, den dafür zuständigen Behörden und Inge­nieurbüros effiziente Planungsinstrumente zur nachhal­tigen Bewirtschaftung von Regenwasser bereitzustellen und dadurch das Wasserressourcen-Management zu op­timieren. Basierend auf Untersuchungen verschiedener Management-Maßnahmen wollen die Verbundprojekt­partner deshalb ein Simulationsmodell zur Berechnung des Wasserhaushaltes entwickeln. Anschließend soll zu­sammen mit am Projekt beteiligten Kommunen analy­siert werden, wie eine Einleitung von Regenwasser in die Kanalisation vermieden werden kann, um dadurch Kosten einzusparen.

Ziele

Die Schwerpunkte des Verbundprojekts sind:

• Aussagen zur wasserwirtschaftlichen Wirkung der Regenwasserbewirtschaftung in länger bestehenden Stadtquartieren zu treffen sowie Prozesse des Wasser haushaltes in Anlagen der Regenwasserbewirtschaftung zu analysieren und quantifizieren
• Realitätsnahe Teilprozessmodelle in meso- und mikroskaligen Simulationsmodellen für Wasserbilanzgrößen abzubilden und Zielgrößen zum Wasserhaus- halt siedlungsgeprägter Gewässer als Planungsgrundlagen zu definieren
• Auswirkungen und Resilienz der Regenwasserbewirtschaftung im Zusammenhang mit den Folgen des Klimawandels zu analysieren
• Untersuchungen zur Akzeptanz für Bewirtschaftungsmaßnahmen und zur Planungseffizienz bei wasserwirtschaftlich orientierter Siedlungsentwicklung sowie Erhebung valider Daten zu Kosten und Betrieb von Bewirtschaftungsmaßnahmen durchzuführen

Gründach im im Quartier Vauban in Freiburg

Modellregionen

Die für ihre Impulsfunktion zur nachhaltigen Stadtentwick­lung bekannten Stadtteile Kronsberg in Hannover und Vau­ban in Freiburg bieten eine gut geeignete Plattform für die Implementierung, die durch Siedlungsgebiete in Münster wirksam ergänzt wird.

KERNBOTSCHAFTEN

• Die untersuchten Maßnahmen zur Regenwasserbewirtschaftung (RWBM) sind langfristig zuverlässig und werden von den Bürgern überwiegend positiv beurteilt.
• Bereits in der Bauleitplanung muss der Flächenbedarf für die RWBM frühestmöglich berücksichtigt werden. Fachleute aus Freiburg, Hannover und Münster haben ihre Erfahrungen in Empfehlungen zur Verwaltungs- und Betriebspraxis zusammengestellt.
• Simulationsmodelle für Maßnahmen zur Regenwasserbewirtschaftung wurden verbessert, durch ein neu entwickeltes Modul zur Berechnung der potenziellen Verdunstung im urbanen Raum ergänzt und an Messdaten validiert. Sie sind als Open-Source-Software für Anwender und Anbieter von Fachsoftware frei verfügbar.
• Der Wasserhaushalt ist eine wichtige und geeignete Zielgröße der Bauleitplanung. Auf der Basis allgemein verfügbarer Daten und eines allgemein anerkannten Wasserhaushaltsmodells liegt ein neuer GIS-gestützter Berechnungsansatz vor, mit dem ein Referenzzustand für den naturnahen Wasserhaushalt (unbebauter Zustand) ermittelt werden kann.
• Es ist ein hydrometrisches Dienstleistungskonzept zur Erfassung der wasserwirtschaftlichen Wirksamkeit von RWBM erstellt worden.

Weitere Informationen

• zur Homepage des Verbundprojekts
• Ergebnisse aus der Abschlussbroschüre
• Zwischenergebnisse aus der zweiten Broschüre
• Kurzvorstellung / Projektblatt
• Flyer
• Poster

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Vorausschauendes Gewässermanagement in Küstenstädten

In küstennahen urbanen Gewässern ist der Abfluss oft durch Rückstau beeinträchtigt – mit negativen Auswir­kungen auf die Binnenentwässerung. Ein Rückstau kann mehrere Ursachen haben: entweder direkt durch den Einfluss der Tide, wenn zu Hochwasserzeiten nicht ent­wässert werden kann, oder indirekt durch die Regelung von Binnenwasserständen in tiefliegenden Gebieten, die zu Rückstau im Oberlauf der Gewässer führen können. Dieser Rückstau tritt beispielsweise in Hamburg bei der Entwässerung von Nebenflüssen in die Elbe auf. Ein durch Starkniederschläge hervorgerufenes Binnenhochwasser und zeitgleich erhöhte Tidewasserstände sind für die be­troffenen Städte ein ernstes Problem. Der Klimawandel birgt die Gefahr, dass sich dieser Trend weiter verstärkt. Der Schwerpunkt des Verbundprojekts StucK liegt des­halb auf der Analyse der hydrologischen Zusammenhän­ge dieser Ereignisse und deren Auswirkungen, bis hin zur Entwicklung von Bewirtschaftungsstrategien für die Ge­wässer. Im Rahmen des Projekts soll eine Informationsket­te von der kleinräumigen Vorhersage bis zur optimierten Entwässerung vollständig methodisch erarbeitet und in die Praxis umgesetzt werden. Neben hydrologischen Fak­toren werden auch ökologische und ökonomische Kon­sequenzen untersucht und bewertet. Die Ergebnisse aus Planungs- und Bewirtschaftungsaktivitäten sollen im ope­rationellen Geschäft des Landesbetriebs Straßen, Brücken und Gewässer in Hamburg eingeführt werden und die Be­wirtschaftungspraxis nachhaltig unterstützen.

Ziele

Ziel von StucK ist es, sektorübergreifende, nachhaltige und allgemeingültige Lösungsansätze für die Gewässer­bewirtschaftung küstennaher urbaner Fließgewässer zu entwickeln. Weitere Ziele sind:

• Vertiefung des Wissensstandes zu hydrologischen und hydrodynamischen Prozessen bei erhöhten Tidewasserständen und gleichzeitigem Binnenhochwasser unter besonderer Berücksichtigung der Hydrodynamik von urbanen Entwässerungssystemen
• Optimierte Bemessung von Schöpfwerken und Deichsielen unter Berücksichtigung der lokalen Abfluss- und Tideverhältnisse
• Verbesserte Steuerung von Wehren, Deichsielen, Schöpfwerken und ihren Pumpen unter Berücksichtigung von Hochwasserschutz, Ökologie und Ökonomie
• Erarbeitung von Handlungsempfehlungen für die Bewirtschaftung urbaner küstennaher Vorfluter

Modellregion

Verlauf des Binnenwasserstandes der Dove-Elbe in Abhängigkeit des Tidewasserstandes der Elbe (Januar 2012)

Betrachtet werden zwei Modellregionen im Bereich der Metropolregion Hamburg. Eine davon ist das Einzugsge­biet der Dove-Elbe, welches in seiner Binnenentwässerung direkt von den Außenwasserständen der Tideelbe beein­flusst ist. Die zweite Modellregion ist das Einzugsgebiet der Kollau. Hier besitzt die Tideelbe einen geringen Einfluss.

KERNBOTSCHAFTEN

• Eine verbesserte, kurzfristige und kleinräumige Niederschlagsvorhersage kombiniert aus Radarmessungen und Modellsimulationen (COSMO-DE-EPS) lässt den Betrieb eines operationellen Abfluss-Vorhersagemodells für urbane Regionen zu. Dessen Ergebnisse präzisieren den Warndienst Binnenhochwasser Hamburg und vergrößern damit Handlungsspielräume/Reaktionszeiten im Hochwasserfall.
• Ökologisches Hochwasserschutzkonzept für Hamburg: Eine gezielte Steuerung der Hochwasserrückhaltebecken ermöglicht eine Optimierung des Hochwasserschutzes bei gleichzeitiger Ausnutzung des größtmöglichen ökologischen Potentials der Flächen und Schaffung ökologisch wertvoller Lebensräume.
• Ein Verfahren zur Schadenspotenzialanalyse wurde entwickelt. So wird die Evaluation verschiedener Szenarien im Hinblick auf eine potentielle Schadensvermeidung möglich. Außerdem eignen sich die Ergebnisse zur Kommunikation und Sensibilisierung der Bevölkerung (Bei einem hundertjährlichen Hochwasser (HQ100) in der Modellregion Kollau beträgt das Schadenspotential rund 1,6 Mio. €).

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• Poster

Dem Bodensee auf den Grund gehen

Der Bodensee unterliegt seit der ersten Besiedelung durch den Menschen in der Jungsteinzeit einem steti­gen Wandel. Dies hängt zusammen mit der hohen Be­deutung des Sees als Natur-, Lebens-, Wirtschafts- und Kulturraum. Für ein nachhaltiges Wasserressourcen-Ma­nagement am Bodensee besteht vor dem Hintergrund eines weiteren Klimawandels und neu hinzukommen­der Nutzungsansprüche dringender Bedarf an der Ent­wicklung und Erprobung von entscheidungsrelevantem Wissen zu Eintragsquellen, Transport- und Mischungs­prozessen von unerwünschten Stoffen. Übergeordnetes Ziel des Verbundprojekts SEEZEICHEN ist es, das Risiko für Ausbreitung und Verbleib von Schadstoffen entlang verschiedener Eintragspfade zu erfassen. Dazu werden Feldmessungen und verschiedene Simulationsmodelle kombiniert. Der Anteil des Grundwassers an der Gesamt­wasserbilanz des Bodensees ist bisher noch unbekannt. In dem Verbundprojekt werden daher zusätzlich zu großräumiger Seezirkulation und Austauschprozessen im Bereich wichtiger Zuflüsse auch die Grundwasser­komponenten betrachtet.

Ziele

Ziel von SEEZEICHEN ist es, Umweltisotope und andere natürliche Markierungsstoffe zur Aufklärung der im Bo­densee beobachteten Strömungs-, Vermischungs- und Stofftransportvorgänge systematisch zu nutzen. Der Ansatz der Verbundprojektpartner kombiniert isotopen­analytische mit hydrochemischen, physikalischen und ökologischen Untersuchungen. Dies erlaubt den Einsatz von Wasserkörpersignaturen zur Identifizierung und Nachverfolgung von Wässern unterschiedlicher Herkunft und die Ausweisung von Einflusszonen der verschiede­nen Eintragswege – Grundwasserzutritte, Zuflüsse, ober­flächlicher Eintrag – im See. Darüber hinaus dienen Com­putermodelle zur Beschreibung der Auswirkungen der Zuflüsse und Grundwassereintritte im Bodensee.

Messkampagne auf dem Bodensee

Modellregion

Der Bodensee ist mehr als 500 Quadratkilometer groß und zeichnet sich durch ein alpin geprägtes Einzugsgebiet und einen geologisch bedingten hohen Kalkgehalt aus.

KERNBOTSCHAFTEN

• Zur vollständigen Beschreibung der Stofftransportwege in Seen wurde erstmals ein gekoppeltes Modellsystem aus numerischem Grundwasser- und hochaufgelöstem 3-dimensionalen (3-dim) hydrodynamischen Seemodell entwickelt. Es dient der Untersuchung und Quantifizierung von Zuströmen, Transportwegen, Verweilzeiten und Interaktionsbereichen im hydrogeologischen Kontext und im See selbst.
• Eine Methoden-Toolbox zur Detektion und Quantifizierung von Grundwasser in Seen wurde entwickelt. Mit ihr können Grundwasserzutritte identifiziert, lokalisiert und quantifiziert werden.
• Eine wichtige Rolle bei der Betrachtung verschiedener Eintragspfade kommt dem Konzept der Wasserkörpersignaturen („fingerprint“) zu, die aus den biologischen, chemischen, physikalischen und isotopenanalytischen Eigenschaften eines Wasserkörpers gebildet werden.
• Räumlich hochaufgelöste 3-dim. hydrodynamische Modelle wurden u. a. eingesetzt, um punktuelle Messungen zu interpretieren, Ausbreitungspfade zu bestimmen und ein Prozessverständnis für die komplexen Mischungs- und Transportvorgänge zu erhalten

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Ferngesteuertes Messboot befährt Bäche und Flüsse

Extremereignisse, Havarien und dynamische Verände­rungen der Gewässer infolge von Urbanisierung, inten­siver Landwirtschaft, multipler Stoffeinträge und klima­tischer Veränderungen – die Herausforderungen an die wasserwirtschaftliche Praxis sind vielfältig. Aber all diese Phänomene und Veränderungen haben eines gemein­sam: Sie erfordern zeitlich und räumlich hoch aufgelöste, kurzfristig verfügbare Gewässerdaten. Diese dienen der Beschreibung und Bewertung der Gewässerdynamik, dem regionalen Wasserressourcen-Management sowie der Identifikation nachhaltiger Maßnahmen.

Mit dem Verbundprojekt RiverView soll ein ganzheitli­cher Ansatz für ein gewässerzustandsbezogenes Moni­toring und Management entwickelt werden. Der Ansatz der Verbundprojektpartner ermöglicht systematisch sy­noptische, bildliche, hydromorphologische, -chemische und -physikalische Gewässerdaten zu erheben. Dazu wird im Rahmen des Verbundprojekts ein Trägerboot weiterentwickelt, welches in der Lage ist, ferngesteuert kleine und mittlere Flussläufe zu befahren. Dadurch kann ein synoptisches Gewässermonitoring im Längsschnitt durchgeführt und interdisziplinäre Prozesse im Gewäs­serlängsschnitt miteinander verknüpft werden. Das Sys­tem ist aber nicht nur für Routine-Monitorings geeignet, sondern auch zur Erfassung von Messdaten während und nach Hochwasserereignissen oder zur Fernwirkungs­analyse von Gewässerbelastungen, beispielsweise nach Schadstoffeinträgen, Störfällen oder Havarien.

Ziele

Ziel von RiverView sind neue, innovative Lösungen, die eine umfassende Datenerfassung, -visualisierung und -auswertung (über und unter Wasser) beinhalten, um Fachplaner und Akteure der Wasserwirtschaft gezielt bei ihren vielfältigen Aufgaben zu unterstützen. Dadurch soll die Umsetzung nachhaltiger Maßnahmen bei der Gestaltung von Gewässern erleichtert und die Öffent­lichkeit besser eingebunden werden. Das Verbundpro­jekt adressiert folgende Schwerpunkte:

• Sammlung von Geodaten in ausgewählten Oberflächengewässern mit Hilfe von boots-gestützten Kamerabildern
• Auswertung und Verknüpfung der Daten gemäß EU-Wasserrahmenrichtlinie sowie Aufbereitung und Bereitstellung der Informationen für die Öffentlichkeit
• Erweiterung von Methoden für Beweissicherungsuntersuchungen, um die Wirkung wasserbaulicher Maßnahmen zu prüfen
• Durchführung eines zeitnahen und flächendecken- den Monitorings diverser Gewässerparameter nach Extremereignissen, Havarien und Störfällen
• Erfassung und Analyse der Auswirkungen von Landnutzungsänderungen, Hochwasserereignissen und des Klimawandels an und in Gewässern

Renaturierte Rur in Linnich Körrenzig

Modellregionen

In Nordrhein-Westfalen werden die Gewässer des Wasser­verbands Eifel-Rur (Rur, Inde, Wurm) sowie die Flüsse der Emschergenossenschaft / Lippverband (Lippe, Emscher und Nebengewässer) befahren. Darüber hinaus ist die Befahrung weiterer Modellregionen im Rahmen einer Kooperation mit dem Verbundprojekt BOOT-Monitoring geplant.

KERNBOTSCHAFTEN

• Im Projekt RiverView werden ganzheitlich und präzise georeferenzierte Gewässerstruktur-, Gewässergüte- und Bilddaten mit einer mobilen Trägerplattform, welche mit modularer Sensorik ausgestattet ist, erhoben.
• Der Praxis stehen repräsentative und hochaufgelöste Daten für wasserwirtschaftliche Planungs- und Überwachungsprozesse bereit (z.B. an industriellen und kommunalen Einleitungen und von renaturierten Bereichen).
• Durch Einsatz des Autopiloten können Aufzeichnungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf exakt gleicher Messstrecke wiederholt werden, sodass Gewässerentwicklungsprozesse nachvollzogen und dokumentiert werden können.
• Die Verarbeitung von 360° Über- und Unterwasseraufnahmen zu einer Rundumbildwelt mit Virtual-Reality-Elementen sowie „ausdruckbare“ 3D-Modelle der Gewässersohle als Hilfsmittel zur Kommunikation von gewässerbaulichen Maßnahmen sind Beispiele für umgesetzte Visualisierungen der Daten

Weitere Informationen

• zur Homepage des Verbundprojekts
• Video
• Fact sheet RiverBoat
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• Zwischenergebnisse aus der zweiten Broschüre
• Kurzvorstellung / Projektblatt
• Poster